聚变与受控热核反应练习
1．关于我国已建成的秦山和大亚湾核电站，下列说法正确的是（ ）。
A．它们都是利用核聚变释放原子能的
B．它们都是利用核裂变释放原子能的
C．裂变和聚变的核燃料都可以是纯铀235
D．一座是利用核裂变释放原子能，一座是利用核聚变释放原子能
2．下列核反应中属于核聚变的是（ ）。
A．
B．
C．
D．
3．一个质子和一个中子聚变组合成一个氚核，同时辐射出一个γ光子。已知质子、中子、氚核的质量分别为m1、m2、m3，普朗克常数为h，真空中的光速为c，下列说法正确的是（ ）。
A．核反应方程是
B．聚变反应的质量亏损Δm＝m1＋m2－m3
C．辐射出的γ光子能量E＝（m3－m1－m2）c
D．γ光子的波长
4．原子核聚变渴望给人类未来提供丰富的洁净能源。当氘等离子体被加热到适当高温时，氘核参与的几种聚变反应可能发生，放出能量。这几种反应的总效果可以表示为＋43.15 MeV，由平衡条件可知（ ）。
A．k＝1，d＝4 B．k＝2，d＝2
C．k＝1，d＝6 D．k＝2，d＝3
5．央视报道，中科院离子物理所经过八年的艰苦奋斗努力，终于率先建成了世界上第一个全超导的托卡马克试验装置并调试成功；这种装置被称为“人造太阳”（如图所示），它能够承受上亿摄氏度高温且能够控制等离子态的核子发生聚变并稳定持续的输出能量，就像太阳一样为人类提供无限清洁的能源。在下列核反应方程中有可能是该装置内部所进行的核反应的是（ ）。
A．
B．
C．
D．
6．科学家发现在月球上含有丰富的（氦3）。它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料，其参与的一种核聚变反应的方程式为。关于聚变下列表述正确的是（ ）。
A．聚变反应不会释放能量
B．聚变反应产生了新的原子核
C．聚变反应没有质量亏损
D．目前核电站都采用聚变反应发电
7．已知4个氢核聚变成1个氦核，放出2个正电子。
（1）写出这个核反应方程；
（2）若1 g氢完全聚变，它放出的核能相当于多少优质煤完全燃烧放出的化学能？已知优质煤的热值为3.34×107 J/kg。
8．已知氘核质量为2.013 6 u，中子质量为1.008 7 u，核的质量为3.015 0 u。
（1）写出两个氘核结合成的核反应方程。
（2）计算上述核反应中释放的核能。
（3）若两个氘核以相等的动能0.35 MeV做对心碰撞即可发生上述核反应，且释放的核能全部转化为机械能，则反应中生成的核和中子的动能各是多少？
参考答案
1．答案：B
解析：现在我国的核电站是利用核裂变，可控热核反应还在实验阶段，故答案为B。
2．答案：A
解析：B项是衰变，C项是裂变；D项是人工转变；A项是轻核聚变。
3．答案：B
解析：A项中核反应方程不满足质量数守恒，错误。B项中Δm正好是结合前核子总质量与原子核质量之差，正确。由质能方程可知辐射出的γ光子的能量为E＝（m1＋m2－m3）c2，C项错误。由c＝λν及E＝hν得，γ光子的波长为，故D错。
4．答案：B
解析：根据核反应过程中质量数守恒、电荷数守恒知解得，B对。
5．答案：B
6．答案：B
解析：聚变反应是轻核变为中等质量核的反应，发生质量亏损，释放能量。目前核电站采用重核裂变反应。
7．答案：（1） （2）1.8×104 kg
解析：（1）核反应方程为。
（2）查出氢核、氦核和正电子的质量为mH＝1.672 65×10－27 kg，mHe＝6.644 939×10－27 kg，me＝9.11×10－31 kg
则聚变反应的质量亏损为Δm＝4mH－mHe－2me
又由质能方程ΔE＝Δmc2
代入数据解得ΔE＝3.95×10－12 J
1 g氢完全聚变放出的核能为
Q＝×3.95×10－12 J＝5.90×1011 J
设这些核能相当于质量为m的优质煤完全燃烧放出的化学能，则
m＝kg≈1.8×104 kg。
8．答案： （2）3.26 MeV （3）0.99 MeV 2.97 MeV
解析：（1）核反应方程为。
（2）由题给条件可求出质量亏损为
Δm＝2.013 6 u×2－（3.015 0 u＋1.008 7 u）＝0.003 5 u
释放的核能为ΔE＝Δmc2＝0.003 5×931.5 MeV＝3.26 MeV。
（3）该反应中释放的核能全部转化为机械能，即转化为核和中子的动能。若设核和中子的质量分别为m1、m2，速度分别为v1、v2，则由动量守恒及能量守恒定律得
0＝m1v1＋m2v2
2Ek0＋ΔE＝Ek1＋Ek2＝
Ek0＝0.35 MeV
ΔE＝3.26 MeV
解得Ek1＝0.99 MeV Ek2＝2.97 MeV。
5.3聚变与受控热核反应
学 习 目 标
知 识 脉 络
1.知道聚变和聚变反应特点，知道聚变的条件．(重点)
2.会写聚变方程并能计算聚变释放的能量．(重点、难点)
3.了解受控热核反应的装置“托卡马克”以及我国对受控热核反应研究的成果.
4.了解核能的优越性，核安全性与核废料处理的方法.
聚 变 与 受 控 热 核 反 应
1．轻核聚变
(1)定义
使平均结合能小的轻核聚合成一个较重的原子核．又称热核反应．
(2)条件
利用几千万开尔文以上的高温，形成物质的第四态—等离子态，原子核获得足够大的动能，通过碰撞使一部分核接近到足以发生聚变的距离．
(3)核反应举例
21H＋31H―→He＋10n＋17.6 MeV.
(4)特点
在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变能释放的能量更多．热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身就可以使反应进行下去．
(5)普遍性
热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳以及许多恒星内部，都要不断地进行着聚变反应．
2．受控热核反应
(1)实验装置
受控热核反应实验装置称为“托卡马克”，它是一种利用强磁场约束等离子体的环流器．
(2)原理
①中央螺线管通电后在环形真空室中感应出强电流，加热核燃料，使其成为等离子体．
②中央螺线管与同轴环形线圈一起形成螺旋状磁场，将等离子体约束在环状真空室中．
1．太阳中发生的是可控热核聚变反应．(×)
2．轻核发生聚变反应不需要条件．(×)
3．轻核发生聚变反应核子必须接近到核力发生作用的范围．(√)
为什么制造氢弹必须要具有制造原子弹的能力？
【提示】氢弹爆炸是热核反应，需要达到几千万开以上的高温才能进行，只有利用原子弹爆炸时的高温高压，才能使氢弹中的聚变材料达到热核反应的条件，故只有具备了制造原子弹能力的国家才能制造氢弹．
1．聚变发生的条件：要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离10－15 m，这要克服电荷间强大的斥力作用，要求使轻核具有足够大的动能，有一种办法就是把它们加热到几千万开尔文的高温．
2．轻核聚变是放能反应：从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应．
3．核聚变的特点
(1)在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放更多的能量．
(2)热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去．
(3)普遍性：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆．
4．核聚变的应用
(1)核武器——氢弹：一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置．它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸．
(2)可控热核反应：目前处于探索阶段．
5．重核裂变与轻核聚变的区别
重核裂变
轻核聚变
放能原理
重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能
两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能
放能多少
聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3～4倍
核废料处理难度
聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多
原料的蕴藏量
核裂变燃料铀在地球上储量有限，尤其用于核裂变的铀235在铀矿石中只占0.7%
主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富.1 L海水中大约有0.03 g氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约与燃烧300 L汽油相当
可控性
速度比较容易进行人工控制，现在的核电站都是用核裂变反应释放核能
目前，除氢弹以外，人们还不能控制它
1．以下说法正确的是( )
A．聚变是裂变的逆反应
B．如果裂变释放能量，则聚变反应必定吸收能量
C．聚变须将反应物加热至数百万度以上高温，所以聚变反应又叫热核反应
D．裂变反应速度可以实现人工控制，轻核聚变反应速度也可以人工控制
【解析】聚变是轻核聚合成次轻核，裂变是重核分裂成中等质量的核，二者无直接关系，故A错．聚变和裂变在能量流向上也无直接关系，故B错．核聚变反应是热核反应，需数百万度的高温，但聚变反应一旦开始所释放的能量就远大于所吸收的能量，因此聚变反应还是释放能量的，故C正确，现在已经能实现裂变反应速度的人工控制，但除氢弹外，还不能实现轻核聚变的人工控制，D错误．
【答案】C
2．(多选)能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一，下列释放核能的反应方程，表述正确的是( )
A.H＋H―→He＋n是核聚变反应
B.H＋H―→He＋n是β衰变
C.U＋n―→Ba＋Kr＋3n是核裂变反应
D.U＋n―→Xe＋Sr＋2n是α衰变
【解析】H＋H―→He＋n是轻核聚变反应，A正确，B错误；U＋n―→Ba＋Kr＋3n和U＋n―→Xe＋Sr＋2n均为重核裂变反应，C正确，D错误．
【答案】AC
3．氘核和氚核可发生热核聚变而释放出巨大的能量，该反应方程为：H＋H―→He＋x，式中x是某种粒子．已知：H、H、He和粒子x的质量分别为2.014 1 u、3.016 1 u、4.002 6 u和1.008 7 u；1 u＝，c是真空中的光速．由上述反应方程和数据可知，粒子x是________，该反应释放出的能量为________MeV(结果保留3位有效数字)．
【解析】根据质量数和电荷数守恒可得x是n(中子)．核反应中的质量亏损为Δm＝2.014 1 u＋3.016 1 u－4.002 6 u－1.008 7 u＝0.018 9 u
所以该反应释放出的能量为
ΔE＝Δm·c2＝17.6 MeV.
【答案】n(或中子)17.6
对轻核聚变理解的两个误区
(1)误认为聚变就是裂变的逆反应．产生这种误区的原因是对聚变和裂变的本质没有透彻理解，裂变时重核分裂成中等核，而聚变是轻核聚合成为次轻核，无直接关联，并非互为逆反应．
(2)正确判断聚变、裂变、衰变及人工转变的方程．这四种方程在形式上很相近，因此判断时容易混淆出错，要想正确判断必须抓住它们的实质：核聚变是轻核结合成质量较大的核，也会放出中子；重核裂变时铀核捕获中子裂变为两个或更多个中等质量的核，并放出几个中子；人工转变常用α粒子或中子去轰击原子核，产生新原子核并放出一个或几个粒子；衰变是原子核自发地转变为另一种核，并向外辐射出α粒子或β粒子的反应，衰变根据向外辐射粒子的不同分为α衰变和β衰变两种．
核能利用与社会发展
1．核能的优越性
(1)核燃料提供的能量巨大．
(2)核燃料的储量丰富．
(3)核燃料的运输和储存方便．
(4)清洁卫生，对环境的污染小．
2．核安全性
为了防止放射性物质的泄漏，核电站设置了4道安全屏障．
3．核废料处理
(1)后处理技术．
(2)沥青固化或水泥固化贮存地下库．
(3)玻璃固化，埋藏深层废料库．
1．作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大．(√)
2．核电废料难以处理，对环境的污染比火电大．(×)
3．核武器威力巨大，不仅能摧毁生命，而且会使生态环境受到严重破坏．(√)
核反应堆中的防护层的构造和作用是什么？
【提示】核反应堆中的防护层一般由金属套、防止中子外逸的水层以及1 m～2 m厚的钢筋混凝土构成，可以有效地防止射线对人体及其他生命的侵害．
1．核能利用
核原料提供的能量巨大，1 kg铀释放的全部能量大约相当于2 700 t标准煤完全燃烧放出的能量．地球上的常规能源一般都无法跟核能相比．除铀外，钍也是一种裂变材料，它比铀更丰富，如果能把钍利用起来，核电的发展前景将更为广阔．热核反应所需的氘更是储量丰富．核原料的运输和储存方便，如：一座100万千瓦核电站一年所需原料铀，只需6辆卡车就可全部运到现场．
核电站不排放二氧化碳、氮氧化合物等造成温室效应或酸雨的气体及烟尘，有利于环境保护．
2．环境保护
核电站为防止放射性物质的泄漏，一般有4道安全屏障：二氧化铀陶瓷体燃料芯块滞留裂变产物，外面密封锆合金包壳，第三道是压力边界，第四道是安全壳．这些措施大大提高了核能利用的安全性．
3．废料处理
对核废料先回收利用，剩下的废料就很少了，将其中低放射性废料进行沥青固化或水泥固化后，储存在地下浅层废料库，对高放射性的废料采用玻璃固化后，埋藏在深层废料库．加之实时监测等措施都降低了对环境污染的可能性．
4．核电站
(1)原理
原子核的链式反应是在人工控制下进行．释放的核能转化为内能，再由蒸汽轮机带动发电机转化为电能，使核能为人类和平建设服务．
(2)优点
①核能发电比燃煤发电的成本低，一座百万千瓦级的核电站，一年只消耗浓缩铀30 t左右，而同样功率的燃煤发电站每年要消耗250万吨优质煤．
②核电站对环境的污染要比燃煤发电小得多．
4．(多选)为应对能源危机和优化能源结构，提高清洁能源的比重，我国制定了优先选择核能，其次加快发展风电和再生能源的政策，在《核电中长期发展规划》中要求2020年核电运行装机总容量达到4 000万千瓦的水平，请根据所学物理知识，判断下列说法中正确的是( )
A．核能发电对环境的污染比火力发电要小
B．核能发电对环境的污染比火力发电要大
C．所有核电站既有重核裂变，又有轻核聚变释放大量的原子能
D．如果核电站能实现可控轻核聚变发电，其核废料处理更简单，对环境污染更小
【解析】目前核电站都用核裂变，其原料是铀，且核裂变在核反应堆中应用的是比较清洁的能源，故A正确，B、C错；如果核电站能实现可控轻核聚变发电，其核废料处理起来比铀核裂变废料更容易，对环境污染也更小，D正确．
【答案】AD
5．(多选)关于核能的利用，下列说法正确的是( )
A．核电站的反应堆将释放的核能转化为蒸汽的内能，再转化为电能
B．采用“内爆法”促使链式反应，做成的原子弹设计难度大，但材料利用率高
C．核电站对环境的污染比燃煤发电大
D．核燃料的危害主要是其具有放射性
【解析】核电站的能量转化过程为核能到内能再到电能，A正确．“内爆法”难度大，但材料利用率高，B正确．核电站不排放二氧化碳、氮氧化合物等造成温室效应或酸雨的气体及烟尘，有利于环境保护，C错误．放射性对人体和环境都有危害，D正确．
【答案】ABD
目前的核电站都是用核裂变，核聚变还不能用于核电站中，核电站比火电站的污染小，有利于环境保护.
